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人生小哲理 靜下心來 潛心研究 我們將走的更遠(yuǎn) 正文
撰文：小明月來源：● ● ● 干細(xì)胞，是一類能夠自我更新并分化形成多種組織細(xì)胞類型的原始細(xì)胞,。當(dāng)其他細(xì)胞和組織,、器官發(fā)生受損、炎癥或體內(nèi)穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化時(shí),，干細(xì)胞就可能成為血液,、骨,、皮膚,、肌肉等的種子細(xì)胞，進(jìn)一步分化成機(jī)體所需要的細(xì)胞進(jìn)行組織修復(fù),，或發(fā)揮積極的免疫調(diào)節(jié)作用,。 類器官（Organoids）被定義為一種體外培養(yǎng)的能夠自我更新和自我組織，并具有來源組織器官功能3D細(xì)胞簇,。因此,，又被成為迷你器官(mini-organs)。作為體外模型系統(tǒng),，類器官可用于研究組織發(fā)育,、建立疾病模型、篩選藥物和檢測(cè)毒性,。 目前,，已成功培育出腦、結(jié)腸,、內(nèi)耳,、小腸、腎臟,、肝,、肺、胰腺等不同器官的類器官,，其培養(yǎng)條件及方法各不相同,。  01 皮膚類器官重要突破，培養(yǎng)出完整“”皮膚” ——Nature 脫發(fā)問題是現(xiàn)代社會(huì)無聲的痛,。雖然目前還沒有找到擺脫脫發(fā)的方法,，但是科學(xué)家們對(duì)于脫發(fā)的研究從未放棄，甚至愈演愈烈。 2020年6月3日來自美國(guó)波士頓兒童醫(yī)院的,，在國(guó)際頂刊Nature 上在線發(fā)表題為Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells的文章,，報(bào)道了使用人多能干細(xì)胞，經(jīng)過140天,，成功培養(yǎng)出了帶有皮膚附屬器（汗腺,、皮脂腺、毛囊）及完整的神經(jīng)回路的皮膚類器官,。并將培養(yǎng)出的“人類皮膚”移植到裸鼠身上,，然后，移植的皮膚在原本沒有任何毛發(fā)的裸鼠身上長(zhǎng)出了一小撮茂密的“頭發(fā)”,！  這項(xiàng)研究得到 Nature 雜志同步發(fā)表的評(píng)論的高度評(píng)價(jià),，其令人激動(dòng)之處在于：過去對(duì)人造皮膚的嘗試，都只是制造出一層“皮”,，缺乏皮膚附屬組織和觸覺感受器（神經(jīng)回路）,。這層“皮”既沒有毛孔，也長(zhǎng)不出毛發(fā),，更無法分泌汗液和皮脂,，也不能感受到觸覺和痛覺。 因此,，這是世界上第一次培養(yǎng)出完整“皮膚”,，雖然目前技術(shù)上還有諸多限制，很多問題尚未解決,，但勝在打破了壁壘,，邁出了第一步。 [1]Lee, J., Rabbani, C.C., Gao, H. et al. Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells. Nature(2020). 02 鑒定胰島成體干細(xì)胞,，建立胰島類器官培養(yǎng)體系 ——Cell 一直以來,，胰島中是否存在成體干細(xì)胞飽受爭(zhēng)議。因此,，發(fā)現(xiàn)并且鑒定胰島成體干細(xì)胞是一個(gè)長(zhǎng)期難題,。在頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上，中國(guó)科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所曾藝課題組首次發(fā)現(xiàn)并鑒定了小鼠胰島中的成體干細(xì)胞,，隨后建立了胰島類器官培養(yǎng)和長(zhǎng)期擴(kuò)增的體系,。 思路是這樣的：通過高通量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，從茫茫胰島細(xì)胞中找到一個(gè)具有上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化特性的Procr細(xì)胞,；經(jīng)過驗(yàn)證,，這個(gè)Procr細(xì)胞屬于未分化狀態(tài)的細(xì)胞；通過譜系示蹤實(shí)驗(yàn),，在小鼠體內(nèi)可分化成胰島的全部類型細(xì)胞,；隨后成功建立了具有功能的胰島類器官和長(zhǎng)期擴(kuò)增的體系，并且能夠恢復(fù)糖尿病小鼠的血糖水平。  小鼠胰島成體干細(xì)胞（左）,，胰島類器官培養(yǎng)和擴(kuò)增體系（右） 這項(xiàng)研究意義重大,，首次發(fā)現(xiàn)并鑒定出小鼠胰島中的成體干細(xì)胞的身份，證實(shí)了成體胰島存在干細(xì)胞,，是干細(xì)胞基礎(chǔ)研究的重大突破,。建立了具有功能性胰島類器官培養(yǎng)和長(zhǎng)期擴(kuò)增的體系，可以源源不斷地獲得可用于移植的胰島β細(xì)胞,。雖然這項(xiàng)工作是基于小鼠的,，但為在成人體內(nèi)找到相應(yīng)的胰島干細(xì)胞開拓了新的思路。 [2]Long-Term Expansion of Pancreatic Islet Organoids from Resident Procr Progenitors Cell 2020 03 首個(gè)“屏蔽”免疫的人胰島類器官 ——Nature 利用干細(xì)胞技術(shù),，Salk 研究所的科學(xué)家們研制出了首個(gè)能夠屏蔽免疫系統(tǒng)的人胰島類器官,。這些具有胰島功能的細(xì)胞群移植到糖尿病小鼠體內(nèi)后，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定血糖,，同時(shí)無需使用免疫抑制藥物來克服移植產(chǎn)生的免疫排斥現(xiàn)象,。2020年8月19日，在線發(fā)表在Nature 上,，其論文題目為“Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes”的研究結(jié)果,。  關(guān)鍵部分在于,，在模擬的人類胰腺的環(huán)境中利用iPSC技術(shù)成功培養(yǎng)出胰島β樣細(xì)胞,，具有胰島樣的特性。研究小組發(fā)現(xiàn)wnt4蛋白是能夠打開體外葡萄糖刺激強(qiáng)大的胰島素分泌所必需的物質(zhì),。制備出了人類胰島的功能性細(xì)胞簇：被稱作人類胰島樣類器官（HILO）,。  人類胰島類器官生成示意圖 胰島樣類器官的最新成果將有助于推動(dòng)開發(fā)糖尿病替代療法，未來病人有望不再依賴于需要免疫抑制的來源胰島,，以及常見的設(shè)備依賴型技術(shù),。對(duì)于1 型糖尿病患者來說，這是非常好的消息,！ [3]Yoshihara, E., O’Connor, C., Gasser, E. et al., (2020).Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2631-z 04 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞變身肝臟類器官 ——Cell Reports 美國(guó)匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員公布了一項(xiàng)最新研究,，使用人類皮膚細(xì)胞重編程誘導(dǎo)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）創(chuàng)建了功能完備的微型肝臟（即類器官），移植到大鼠中存活了四天,。 相關(guān)研究成果題目為“Assembly and Function of a Bioengineered Human Liver for Transplantation Generated Solely from Induced Pluripotent Stem Cells”,，發(fā)表在Cell Reports上。這些微型肝臟就像正常肝臟一樣,，會(huì)分泌膽汁酸和尿素,。在自然環(huán)境中肝臟成熟需要長(zhǎng)達(dá)兩年的時(shí)間，但研究者卻在不到一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)做到了,。  研究者長(zhǎng)期目標(biāo)是創(chuàng)建可以代替器官捐贈(zèng)的器官,，但這項(xiàng)研究的積極意義在于，看到人類誘導(dǎo)iPSC分化器官的潛能。在急性肝功能衰竭中,，可能只需要一段時(shí)間的肝強(qiáng)化治療,，并不是需要整個(gè)肝臟移植?！?/p> 這項(xiàng)研究仍有許多挑戰(zhàn)需要克服,，包括長(zhǎng)期生存和安全問題。 [4]Takeishi K , et al. Assembly and Function of a Bioengineered Human Liver for Transplantation Generated Solely from Induced Pluripotent Stem Cells[J]. Cell Reports, 2020, 31(9):107711. 05 小腸類器官干細(xì)胞的命運(yùn)調(diào)控大師 ——Cell Stem Cell 組織和器官是由擁有不同物理性質(zhì)的細(xì)胞有序地搭建而成,。自我更新的小腸表皮,，有序的折疊成隱窩和絨毛結(jié)構(gòu)。小腸干細(xì)胞（Lgr5 ）在小腸隱窩底部自我更新,。小腸干細(xì)胞在隱窩底部產(chǎn)生壓力,，并將分化后的小腸上皮細(xì)胞推向絨毛頂端。復(fù)雜的物理微環(huán)境導(dǎo)致小腸內(nèi)的細(xì)胞存在極大的異質(zhì)性和穩(wěn)定性,。然而細(xì)胞的物理性質(zhì)和力學(xué)微環(huán)境如何調(diào)控小腸隱窩的功能仍未知,。 2020年10月13日，麻省理工學(xué)院郭明課題組在Cell Stem Cell 上發(fā)表了題為“Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/beta-Catenin Signaling” 的研究論文,。  該論文報(bào)道了細(xì)胞內(nèi)分子擁擠在小腸類器官力學(xué)傳導(dǎo)和干細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控中的作用,。作者發(fā)現(xiàn)，在高滲培養(yǎng)液擠壓的條件長(zhǎng)時(shí)培養(yǎng),，可以有效的誘導(dǎo)成熟分化的小腸類器官（crypt organoid）轉(zhuǎn)化成為以干細(xì)胞為主的干細(xì)胞團(tuán)類器官（ISCs sphere）,。 [5]https:///10.1016/j.stem.2020.09.012 06 開發(fā)新型大腦類器官模型 ——Cell Stem Cell 大腦類器官是利用人類多能干細(xì)胞在體外培養(yǎng)形成的三維組織，具有類似于胚胎人類大腦的細(xì)胞類型和細(xì)胞結(jié)構(gòu),，是研究人類大腦發(fā)育和疾病的,、有價(jià)值的模型系統(tǒng)。 2020年3月5日,，賓夕法尼亞大學(xué)明國(guó)莉課題組在Cell Stem Cell雜志上發(fā)表文章Sliced Human Cortical Organoids for Modeling Distinct Cortical Layer Formation,，開發(fā)了新型大腦類器官模型。  作者們構(gòu)建了片狀新皮質(zhì)類器官（Sliced Neocortical Organoid,，SNO）系統(tǒng),，通過將前腦類器官精確地切成圓盤狀，使祖細(xì)胞區(qū)暴露于外部培養(yǎng)環(huán)境中,，從而解決了缺氧和內(nèi)部細(xì)胞死亡的問題,。 在長(zhǎng)期的SNO培養(yǎng)中，細(xì)胞增殖和神經(jīng)發(fā)生持續(xù)存在,，并且祖細(xì)胞區(qū)和神經(jīng)元層的大小都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以前,。在這種培養(yǎng)體系中，分離的神經(jīng)層表現(xiàn)出不同的皮層特異性神經(jīng)元亞型標(biāo)記,，與妊娠中期驚人相似,。重要的是,，這些自發(fā)活躍的神經(jīng)元之間也具有穩(wěn)定的神經(jīng)連接。 這一研究克服了傳統(tǒng)類器官3D培養(yǎng)中出現(xiàn)的問題,，比如缺氧,、細(xì)胞死亡等，為研究晚期大腦發(fā)育提供了良好的平臺(tái),。 [6] https:///10.1016/j.stem.2020.02.002 07 首次在胚胎早期階段獲得心臟類器官 ——Cell Stem cell 曾經(jīng)有一段時(shí)間,，在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)器官的想法只能出現(xiàn)在科幻小說中。如今,，隨著類器官的出現(xiàn),，干細(xì)胞生物學(xué)和組織工程學(xué)正在將其變成現(xiàn)實(shí)：在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出具有生理功能的類器官。從本質(zhì)上講,，干細(xì)胞可以為我們提供按需生產(chǎn)的組織和微型器官,，用于制藥領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)研究，而無需始終依賴捐助者,。 近日,，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)了在胚胎早期階段成功生產(chǎn)出小鼠心臟類器官。2020年11月10日,，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell 在線發(fā)表了這一成果,。 研究人員從小鼠的胚胎干細(xì)胞中生長(zhǎng)出類器官，在適當(dāng)?shù)臈l件下,，它們可以自組織成“模仿真實(shí)器官中發(fā)現(xiàn)的組織結(jié)構(gòu),，細(xì)胞組成和功能方面”。胚胎干細(xì)胞被置于特定條件下的細(xì)胞培養(yǎng)中,，形成了一個(gè)三維聚集體,，可以跟隨小鼠胚胎的發(fā)育階段，這個(gè)三維聚集體被稱為“Gastruloid”,。 Gastruloid可用于模仿胚胎中心臟發(fā)育的早期階段，這是類器官未經(jīng)探索的用途,。小鼠gastruloid具有三個(gè)特征,，使其成為模仿胚胎發(fā)育的合適模板：它們建立了像真實(shí)胚胎一樣的發(fā)育計(jì)劃，并且顯示出相似的基因表達(dá)模式,。,。這些胚胎類器官（類原腸胚）模擬了胚胎發(fā)育并支持心血管祖細(xì)胞的生成，包括第一和第二心臟區(qū)域,。在原腸樣管附近形成跳動(dòng)的心臟組織之前,，心臟祖細(xì)胞自組織成一個(gè)新月形的前部區(qū)域，從而心臟組織被心內(nèi)膜樣層隔開,。 這一突破性的工作為類器官打開了一個(gè)全新的維度,，表明它們也可以用于模擬胚胎發(fā)育階段,。 [7]https://www./cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30507-5  干細(xì)胞：人類類器官的倉(cāng)庫 |
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